DE2825212C2 - Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mittels eines kurzen, intensiven Laserlichtpulses - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mittels eines kurzen, intensiven Laserlichtpulses

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren wie es im Oberbegriff des Hauptanspruches angegeben ist. r>
Aus der DE-OS 1514288 ist ein Verfahren zum Anlegieren einer auf einem Halbleitersubstrat angebrachten Schicht zu entnehmen, bei dem zur Vermeidung der Beschädigung des Halbleitersubstrats eine Zwischenschicht mit einem intensiven, kurzen Laser- in lichtpuls bestrahlt wird. Dabei werden d;e Einstrahlungsbedingungen so gewählt, daß nur die Zwischenschicht erhitzt wird.
Ein ähnliches Verfahren ist aus der DE-OS 1540991 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die La- v> serlichtenergie in der anzulegierenden Scheibe absorbiert.
Bei beiden Verfahren werden Laserlichtpulse verwendet, deren Pulsdauer im Bereich von 1 bis 100 μ sec liegen. Derartige Laserlichtpulse verursachen be- -,η reits, bedingt durch den stattfindenden Legierungsprozeß, Diffusionseffekte.
Aus dem »Solid-State Electronics«, 1974, Vol. 17, Seiten 245 bis 249, ist ein Herstellverfahren für ohmsche Kontakte an A'"BV-Halbleiterbauelementen « mittels eines Laserstrahls zu entnehmen, bei dem die Dauer eines intensiven kurzen Laserlichtimpulses im Millisekundenbereich liegt, wodurch ein Aufschmelzen der Schichten im thermodynamischen Gleichgewicht erreicht wird, so diß auch hier Diffusionsvor- b< > gänge ablaufen können, die beim Vorhandensein von dünnen Schichten die Funktionsfähigkeit des aus diesen Schichten bestehenden Bauelements erheblich beeinträchtigen. So läßt sich z. B. nicht vermeiden, daß in Teilbereichen einer 50 nm dicken, z. B. P-do- 0 Γ> tierten, Grenzflächenschicht einer PNP-Struktur Kurzschlüsse z. B. an Versetzungslinien durch eindiifundierte Aluminium-Atome der vorgesehenen ohmschen Aluminium-Kontaktschichten entstehen, womit ein unerwünscht starkes Ansteigen des Sperrstromes verknüpft ist. Dasselbe gilt z. B. auch für Mikrowellen-Bipolartransistoren. Solche Effekte spielen wegen der Mikrominiaturisierung zur Hochintegration z. B. in der MOS-Technik (VLSI) eine große Rolle. Weitere Beispiele sind für den Bereich der Vielschicht-Halbleiter und der Halbleiter mit Überstruktur (Superlattice) anzugeben. Auch die Anwendung zur Herstellung von Dünnschichtkondensatoren mit hohen Kapazitäten auf kleinstem Volumen oder auch die Herstellung definierter Interferenzfilter soll erwähnt werden.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, Diffusionseffekte beim Ausheilen und/oder Anlegieren einer durch Aufdampfen, Zerstäuben, elektrolytisches Abscheiden oder Ionendeposition auf einem insbesondere aus Halbleitermaterial bestehenden Substrat aufgebrachten dünnen, insbesondere aus Metall bestehenden Schicht mittels eines Laser!ichtimpulses völlig auszuschalten.
Diese Aufgabe wird bei einem wie im Oberbegriff des Hauptanspruches angegebenen Verfahren erfindungsgemäß nach der im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Weise gelöst.
Durch diese Art der Bestrahlung mit einem Laserlichtimpuls im Nanosekundenbereich wird einer dünnen Oberflächenschicht des beschichteten Substratkörpers bis zu einer Tiefe von einigen 100 nm kurzzeitig Energie hoher Dichte zugeführt. Dadurch wird diese Oberflächenschicht, und im wesentlichen nur diese, auf einen hohen Anregungszustand bzw. auf hohe Temperatur gebracht, und zwar nicht im thermodynamischen Gleichgewicht. Dieser Zustand befähigt eine solche Schicht, Schaden oder Unregelmäßigkeiten in der Kristallstruktur auszugleichen oder auszuheilen. Bleibt man unterhalb einer kritischen materialabhängigen Grenzenergie, bei Silizium z. B. unterhalb 0,5 Jcm "2, dann treten trotz des hochangeregten Materialzustandes keine Diffusionseffekte auf, obwohl dabei das Gitter ausgeheilt wird.
Die Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren sind, neben der Unterdrückung der Diffusion, darin zu sehen, daß
1. durch die Bestrahlung mit dem Laserlichtimpuls hoher Intensität eine gute Haftung einer dünnen Schicht auf einem Substrat erzielt werden kann, weil den Atomen der Umgebung der Grenzflächen Schicht-Substrat soviel Energie zugeführt wird, daß diese sich durch Platzwechsel auf kurze Entfernungen umordnen können. (Dies führt zu einer dichteren Packung der Schicht und einer erstrebten innigen Verbindung zwischen Schicht und Substrat.)
2. Tiefere Schichten des Substrates oder auch durch Masken geschützte empfindliche Teile der Oberfläche nicht in Mitleidenschaft gezogen werden, da durch das rasche zeitliche und örtliche Abklingen der Temperatur bei konventionellen Verfahren beobachtete Degradationserscheinungen nicht auftreten können und
3. der Prozeß an normaler Atmosphäre und unter normalem Druck durchgeführt werden kann, wobei das Einschleppen von Verunreinigungen vermieden wird.
Im folgenden wird das Verfahren anhand der Fig. 1 und 2 und eines Ausführungsbeispiels noch näher er-
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läutert.
Fig. 1 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau der Anlage zur Erläuterung des Prozeßablaufes;
Fig. 2 zeigt schematisch einen Anlegierprozeß einer dünnen Aluminium-KontaktschicLt auf einer Dreischicht-Silizium-Diode.
Die gesamte, als Beispiel ausgeführte Prozeßanlage (Fig. 1) besteht im Prinzip aus den toigenden Teilen: Mit 1 ist ein Justierlaser kleiner Leistung, mit 2 ein Resonatorspiegel, mit 3 eine Pockelszelle, auch Q-Switch genannt, mit 4 der eigentliche Bestrahlungslaser, mit 5 der zweite Resonatorspiegel, mit 6 eine Fokussierungslinse und mit 7 das zu bestrahlende Objekt bezeichnet.
Der kontinuierlich emittierende Justierlaser 1 dient zum Justieren der Anlage und des Objekts 7, so daß kein von 7 reflektiertes Laserlicht auf den Laser 4 fallen kann, was zur Zerstörung von 4 führen könnte. Der vom Laser 4 emittierte Lichtpuls trifft das Objekt 7 und dient zu der Anregung oder A ufwärmung ·?ο einer dünnem Oberflächenschicht des Objekts 7 und damit z. B. zum Anlegieren einer Metallkontaktschicht auf einem aus Silizium bestehenden Substrat.
In Fig. 2 ist mit 7 das gesamte Objekt bezeichnet, welches aus dem Siliziumsubstrat 8 und der Metallschicht 9 besteht, die an die Oberfläche 81 des Substrates 8 anlegiert werden soll. Das Substrat 8 besteht aus verschieden dotierten Einzelschichten, so z. B. aus einer dünnen (50 nm dicken) hochdotierten (1020 cm"3) P-Schicht 82, einer niedriger dotierten jo N-Schicht 83 (ΙΟ17- ΙΟ18"3) und der eigentlichen Substratgrundschicht 84 mk P-Dctierung (1015 cm "3). Diese aus drei Schichten bestehende Diode funktioniert als sogenannte Barrierendiode, wobei der eine Kontakt die Metallschicht 9 und der andere Kontakt der einlegierte Grundkontakt>85 ist. Der für die Laserlichtpulsbestrahlung vorgesehene Kontakt ist die Metallschicht 9, da die Schicht 82 außerordentlich dünn ist und im konventionellen Verfahren durch Durchdiffusion von der Schicht 9 her kurzgeschlossen werden kann.
Auf das Objekt mit der kalt aufgebrachten Metallschicht 9 trifft ein intensiver Laser-Lichtpuls 10 mit einer Pulsdauer im Nanosekundenbereich. Er wird im wesentlichen in der Metallschicht 9 absorbiert. Durch diese kurzzeitige hohe Energiezufuhr gerät die Metallschicht 9 in einen hohen elektronischen Erregungszustand bzw. auf hohe Temperatur, so daß sich die Atome der Metallschicht 9 umordnen können und dies insbesondere in der Umgebung der an sie grenzenden dünnen hochdotierten Siliziumschicht 82. Dadurch tritt an der Grenzschicht 81 eine Ausheilung auf. Dies führt zu dem erwünschten innigen Kontakt der Metallschicht 9 und der Siliziumschicht 82; dadurch wird der elektrische Widerstand zwischen diesen Schichten 9 und 82 weitgehend verringert.
A.uch bei bereits vorangehend getemperten Objekt ten läßt sich durch die Bestrahlung mit einem Laserlichtpuls im Nanosekundenbereich eine weitere Verbesserung im Hinblick auf die Haftfestigkeit und die elektrischen Eigenschaften von Kontaktschichten erreichen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Ausheileu und/oder Anlegieren einer durch Aufdampfen, Zerstäuben, elektrolytisches Abscheiden oder Ionendeposition auf einem Substrat aufgebrachten, dünnen Schicht (9), bei dem diese Schicht (9) mit einem intensiven, kurzen Laserlichtimpuls (10) bestrahlt wird, und bei dem die Bestrahlungsbedingungen so gewählt sind, daß in dem Substrat in keinem nennenswerten Umfang Diffusion stattfinden kann, zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des Laserlichtpulses (10) so gewählt wird, daß die Absorption im wesentlichen innerhalb der dünnen Schicht (9) erfolgt, die Pulsdauer im Nanosekundenbereich liegt, und die eingestrahlte Gesamtenergie des Laserlichtpulses (10) materialabhängig derart bemessen ist, daß die Temperatur der Schicht (9) unter ihrem Schmelzpunkt bleibt oder nur kurzfristig über den Schmelzpunkt des Materials dieser Schicht (9) steigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Herstellung eines Metallkontaktes (9) auf einer dünnen Siliziumschicht (82) einer Dreischichtdiode (sogenannte Barrierediode) verwendet wird (Fig. 2).
K)
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